摘要(yào):渦(wō)輪流量計(jì) 是采(cǎi)用超(chāo)低功(gōng)耗(hào)單片微(wēi)機(jī)渦輪(lún)流量傳(chuán)感器與顯示計算一(yī)體化的新(xīn)型智能儀表。文章針(zhēn)對(duì)流量計(jì)控制的實際要(yào)求,基于modbus協議的(de)計量數據(jù)的通(tōng)信系統(tǒng)。渦輪流(liú)量計(下(xià)位機)msp430單(dān)片機實現數據(jù)的采(cǎi)集(jí)及存(cún)儲。上位(wèi)機程序是(shì)通過visualstudio2012利用(yòng)c#語言編寫的基于modbus協(xié)議(yì)的windows應(yīng)用程序(xù)。把，上位機程(chéng)序(xù)移植到嵌(qiàn)入式(shì)系統中(zhōng),上下位(wèi)機通(tōng)過無(wú)線射(shè)頻(pín)技術實(shí)現通(tōng)信，完成(chéng)了(le)對流(liú)量計的(de)遠(yuǎn)程控(kòng)制以及計量數(shù)據的遠程(chéng)采集與顯(xiǎn)示。
　　渦(wō)輪流(liú)量計(jì)屬于速度(dù)式流(liú)量(liàng)計(jì)，也被稱爲葉(yè)輪(lún)式流(liú)量計。渦輪流量計是利用(yòng)置于(yú)流體中的葉輪的旋(xuán)轉角(jiǎo)速度與流體流(liú)速成(chéng)比例(lì)的關系,通(tōng)過(guò)測(cè)量葉輪的(de)轉速(sù)來(lái)反映通(tōng)過管道的(de)流體(tǐ)體積(jī)流量(liàng)的大小，是目(mù)前流量(liàng)儀表中比較成(chéng)熟的(de)準确度儀(yí)表。　　随着工業的(de)發展以及(jí)計算(suàn)機網絡的日趨(qū)完善(shàn),利(lì)用計算機作爲上(shàng)位機(jī)與渦輪流量計(jì)進行通信(xìn)已經(jīng)是企事業單位計量數據管理(lǐ)的大趨勢。渦輪(lún)流量計的(de)通信(xìn)系統是渦輪流量計的重要組(zǔ)成部分(fèn)。雖(suī)然渦(wō)輪流(liú)量計(jì)已經(jīng)提供了(le)瞬(shùn)時流量、累積流量、溫度、壓力等信息的采集(jí),但是目(mù)前這(zhè)些數據的讀取需要(yào)靠人(rén)工進行現(xiàn)場抄表。原(yuán)始(shǐ)的人工(gōng)抄表方(fāng)式既耗(hào)費大(dà)量的人力(lì)物力,又無(wú)法避(bì)免手工(gōng)抄(chāo)寫和(hé)計算帶(dài)來的誤差，且對數據的(de)分析處理也嚴(yán)重滞(zhì)後,不利于及時發現問題(tí)、解決(jué)問題。因此(cǐ),這種數據讀取(qǔ)方式具有(yǒu)易出(chū)錯、工(gōng)作量(liàng)大、正确率(lǜ)低等缺點(diǎn)。而且渦輪流量計大(dà)多安裝在(zài)一些危(wēi)險的(de)且(qiě)無人看(kàn)守的工(gōng)作現(xiàn)場的(de)密封管中(zhōng),人工抄表(biǎo)難度大。
　　爲(wèi)了解(jiě)決這些問(wèn)題(tí),本(běn)課題在windows平(píng)台下利用visualstudio2012編(biān)寫監控程序并移植到嵌入式系統下(xià)，通過射(shè)頻(pín)技術(shù)與下(xià)位機(jī)進行(háng)無線通信(xìn),通過(guò)監控(kòng)程(chéng)序的無(wú)線控制能夠實(shí)現渦輪流量計(jì)的開關、各(gè)種流(liú)量計(jì)參(cān)數的設(shè)定以及(jí)将采集到的(de)數據傳輸(shū)到嵌入式主闆(pǎn)進行(háng)顯示。
1系統總體(tǐ)方(fāng)案(àn)
　　基于(yú)modbus協議(yì)的渦輪流(liú)量計通(tōng)信系統(tǒng)主要由上位機和渦輪流量計(jì)(下位機)通信部(bù)分組成。本(běn)設計(jì)主要完成上位(wèi)機部(bù)分。基于modbus協(xié)議編寫(xiě)上位機(jī)程序(xù)并(bìng)移(yí)植到(dào)嵌入(rù)式系統中(zhōng)，主要(yào)完成(chéng)的任務有(yǒu):上位(wèi)機通(tōng)過無線射(shè)頻技術完(wán)成了對渦(wō)輪流(liú)量計(jì)(下位機(jī))的參數配置(zhì)并控制下位機完成對現場流(liú)量、溫度(dù)、壓力等數據(jù)的自動采(cǎi)集與顯示。
2modbus協議(yì)
2.1modbus協議簡(jiǎn)介
　　modbus規約(yuē)是modicom公司開發的(de)一個爲(wèi)很多廠(chǎng)商支持的開放(fàng)規約(yuē)，modbus協議是應(yīng)用于電(diàn)子(zǐ)控制器上的一(yī)種通(tōng)用語言(yán)。通(tōng)過此協議,控制器相互之間、控制器(qì)經由(yóu)網絡(例如(rú)以太網)和(hé)其它(tā)設備之間可以(yǐ)通信。modbus協議(yì)已經(jīng)成爲(wèi)一(yī)個通用(yòng):工業(yè)标準,有了(le)它不(bú)同廠商生(shēng)産的控(kòng)制設備可以連成工業網絡進行集中(zhōng)監控。此(cǐ)協議定(dìng)義了一個控制(zhì)器能(néng)認(rèn)識(shí)使用(yòng)的消(xiāo)息結(jié)構,而(ér)不管(guǎn)它們是經(jīng)過何種(zhǒng)網絡進(jìn):行通信的(de)。它描(miáo)述了控制器請求訪(fǎng)問其它設(shè)備的過.程，如何回應來自其它(tā)設備的請求,以(yǐ)及怎(zěn)樣偵測錯(cuò)誤并記錄。它制定(dìng)了消息域格(gé)局和内容的公共格(gé)式(shì)。
　　modbus協議包(bāo)括rtu和ascii等(děng),并(bìng)沒有(yǒu)規定物理層。此(cǐ)協議的數據通(tōng)信采用了(le)主/從(cóng)方式,即主(zhǔ)設備(bèi)端發出信息請(qǐng)求,從設備端接收到(dào)正(zhèng)确的信(xìn)息後就會(huì)返回(huí)數據到主(zhǔ)設備(bèi)端完成響應;同時主設備(bèi)端也.可(kě)以發消(xiāo)息直(zhí)接修(xiū)改從設備(bèi)端的數據(jù),實現了雙(shuāng)向的讀寫(xiě)。
2.2modbus協議(yì)格式
　　modbus協議(yì)主要分爲兩種(zhǒng)傳輸模式:rtu模式和ascii模式。根據需(xū)求可以自行選擇使用何種模(mó)式，包括串口通(tōng)信的(de)參數(端口(kǒu)号、波特(tè)率(lǜ)、校驗方式等(děng))。在(zài)配置(zhì)控制(zhì)器(qì)的(de)時候(hòu),同一(yī)個modbus網(wǎng)絡上(shàng)的所有(yǒu)設備(bèi)都(dōu)必須選擇相同的協議(yì)格式和(hé)串口參數(shù)。當控制器(qì)設(shè)在modbus網絡(luò)上并以ascii模式通信時(shí)，字符發送時間間隔可達(dá)1s而不産(chǎn)生錯誤(wù),而且由于ascii格式(shì)擁有開(kāi)始和結(jié)束标志,因此ascii協(xié)議的(de)程序對數據包(bāo)的處理能(néng)更加(jiā)方(fāng)便(biàn)直觀(guān),更加(jiā)容易調試(shì)。這是流量計的(de)通信系統(tǒng)選擇ascii協議(yì)作(zuò)爲通信(xìn)格式的原因。
2.3ascii模(mó)式
　　當控制器(qì)設(shè)爲在modbus網絡上以(yǐ)ascii(美國标準信息(xī)交換代碼)模式(shì)通信,消(xiāo)息(xī)中每(měi)8bit的字節都作爲(wèi)兩個(gè)ascii字符(fú)發送。這種(zhǒng)方式的主(zhǔ)要優(yōu)點是(shì)字符(fú)發送(sòng)的時間間(jiān)隔可達(dá)到(dào)1s而不(bú)産生(shēng)錯(cuò)誤。ascii模式(shì)的消息幀的構(gòu)成如表1。
 
　　消息幀(zhēn)的地(dì)址(zhǐ)域包含(hán)兩個字符(ascii)或8bit(rtu)。可(kě)能的從設備地(dì)址0...247(十進(jìn)制)。單個(gè)設備(bèi)的地址範圍是(shì)1...247。主設備通(tōng)過将要聯絡的(de)從設(shè)備的(de)地址放入消息(xī)中的(de)地址域來選通(tōng)從設備。當(dāng)從設(shè)備發送回應消(xiāo)息時，它把自己(jǐ)的地址(zhǐ)放入回(huí)應的地(dì)址(zhǐ)域中(zhōng),以便(biàn)主設(shè)備知(zhī)道是哪一個設備作(zuò)出回應。地(dì)址0用作(zuò)廣播地(dì)址，以使所有的(de)從設備都(dōu)能認(rèn)識。當modbus協議用(yòng)于(yú)水準高的(de)網絡,廣播可能不允許或以其(qí)它方(fāng)式代替。
3通信系(xì)統硬件設(shè)計
3.1通信系(xì)統(tǒng)硬件設(shè)計方案
　　通信系統的(de)硬(yìng)件設計(jì)方(fāng)案如圖1所示(shì)。
 
　　上位機(jī)選(xuǎn)用嵌(qiàn)入式(shì)開(kāi)發闆em9280,它是一(yī)款(kuǎn)面向工(gōng)業自動(dòng)化領域(yù)的嵌(qiàn)入(rù)式(shì)主闆(pǎn)産品,其(qí)内(nèi)核cpu爲(wèi)工業(yè)級品(pǐn)質的(de)i.mx283,系統已(yǐ)預(yù)裝正版windowce6.0實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。此外(wài),em9280體積(jī)小,易攜帶,可以方(fāng)便地帶到工業(yè)控制現(xiàn)場,方(fāng)便(biàn)工(gōng)作人員(yuán)的操作。
　　em9280的标(biāo)準配置(zhì)中有rs-485通(tōng)信接口,而标.準(zhǔn)的modbus物理層就采(cǎi)用了(le)rs-485串行通信(xìn)标準,通過485總線(xiàn)可以将通信(xìn)數(shù)據發送給(gěi)無線(xiàn)射頻模(mó)塊,并通(tōng)過射(shè)頻信(xìn)号将數據發送給下(xià)位機端射頻模塊，最後再通過(guò)485總線(xiàn)傳送給渦(wō)輪流量計，完成(chéng)數據的傳(chuán)輸。
　　無(wú)線射頻模塊采(cǎi)用ptr2000,無線收發一(yī)體數(shù)傳modem模(mó)塊ptr2000芯片性(xìng)能優(yōu)異,在業界(jiè)居領先水(shuǐ)平,它(tā)的顯著(zhe)特(tè)點是所需的外(wài)圍元件少(shǎo),因而設計(jì)非(fēi)常方便(biàn)。該模塊在内部(bù)集成(chéng)了高(gāo)頻發射、高頻接收、pll合(hé)成、fsk調制(zhì)/解調、參(cān)量放大、功率放大(dà)、頻(pín)道:切換等(děng)功能(néng),因此(cǐ)是目(mù)前集成度(dù)較高(gāo)的無線(xiàn)數傳産(chǎn)品。該器(qì)件采用(yòng)了抗(kàng)幹擾能力(lì)較強(qiáng)的fsk調制(zhì)/解(jiě)調方式,其工作頻率穩定可靠(kào)。它是目(mù)前低功率無(wú)線傳輸的(de)理想(xiǎng)選擇(zé)。
3.2渦(wō)輪(lún)流量計系統設(shè)計
　　系統主要由(yóu)數據采集模塊、電源(yuán)模(mó)塊、鍵盤(pán)顯示模塊、頻率(lǜ)輸出(chū)模塊、通訊模塊(kuài)等(děng)組成。如(rú)圖2所示,系(xì)統采集數(shù)據并經過(guò)a/d轉換成數字量進行存儲(chǔ)、顯示(shì)和傳輸。
　　考(kǎo)慮到實際(jì)應用,在硬(yìng)件選擇方(fāng)面盡(jìn)可能(néng)保(bǎo)證性能的情況”下(xià)多選(xuǎn)擇低功耗芯片。微控單(dān)元選用msp430f149單片機,它具有(yǒu)良好(hǎo)的通(tōng).用性(xìng)和可(kě)擴展性.并(bìng)且屬于超(chāo)低功(gōng)耗微處理(lǐ)器。
 
4通信系統(tǒng)軟(ruǎn)件設(shè)計
4.1軟件編(biān)程(chéng)思(sī)路
　　上位機(jī)軟件(jiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行編寫,計算機(jī)的标準配置中(zhōng)通常隻(zhī)有rs-232通信(xìn)接口,可以通過(guò)很多标(biāo)準控件完成rs-232的數據通信。本次設計選(xuǎn)用c#語(yǔ)言中的serialport控(kòng)件在vs2012編程環境(jìng)下完成基于modbus-ascii協(xié)議的上(shàng)位(wèi)機通(tōng)信(xìn)軟件的設計(jì)。
　　serialport控件按照接收(shōu)數據方式分爲(wèi)事件驅(qū)動(dòng)方式(shì)和同(tóng)步接收方(fāng)式。由(yóu)于該上位(wèi)機軟件需要處理的接收(shōu).上來(lái)的數(shù)據(jù)非(fēi)常多(duō),考慮到事件驅(qū)動方(fāng)式需要大(dà)量的代(dài)碼去(qù)分析接(jiē)收.上(shàng)來的(de)數據屬于.上位機監測(cè)的哪部(bù)分數據(jù),因(yīn)此,本(běn)設計(jì)采用同步(bù)接收方式(shì)去處理接收(shōu)的(de)數據(jù)。數據處理流程(chéng)圖如圖3。
 
4.2軟(ruǎn)件仿(páng)真
(1)仿真(zhēn)環(huán)境搭(dā)建
　　仿真在一台電腦上(shàng)面完成(chéng),需要(yào)兩(liǎng)條(tiáo)usb轉串(chuàn)口線,并把(bǎ)1号串(chuàn)口上的2針接2号(hào)串口上的(de)3針,1号(hào)串口上的(de)3針接(jiē)2号串口(kǒu)，上的2針，然後兩個串口(kǒu)的5針(接地(dì)端(duān))互(hù)相連接即(jí)可。
(2)仿(páng)真軟件
　　爲了确(què)保編程的modbus-ascii協議(yì)标(biāo)準(稍作改動(dòng)便可(kě)供其他标(biāo)準渦輪流(liú)量計使用(yòng))正确(què)可行(háng),選用(yòng)modbusslave軟件進行(háng)仿真(zhēn)。modbusslave是modbus子設備(bèi)模拟工(gōng)具,幫助(zhù)modbus通訊設備(bèi)開發(fā)人員(yuán)進行modbus通訊(xùn)協議(yì)的模拟和(hé)測試,用于(yú)模拟(nǐ)、測試、調試modbus通(tōng)訊(xùn)設備。可以(yǐ)在32個(gè)窗口中(zhōng)模拟多達32個(gè)modbus子(zǐ)設(shè)備!與modbuspoll的(de)用(yòng)戶界面相(xiàng)同,支持功能碼(mǎ):01,02,03,04,05,06,15,16,22和23,監視(shì)串口數(shù)據。
(3).上位機(jī)功能
　　根據modbus--ascii協議,本.上(shàng)位機完(wán)成的功(gōng)能有:
“01”---讀取連續(xù)的布(bù)爾參數值(zhí)(0/1);
“03”---讀取(qǔ)保存的儀(yí)表各(gè)項參(cān)數值(hex;)
“04”---讀取(qǔ)儀表瞬時(shí)測量(liàng)輸出值(hex);
“0f"---寫(xiě)多個連續(xù)的布(bù)爾參數值(zhí)(0/1);
“10”--寫多個連續(xù)的寄存(cún)器(qì)參數值(zhí)(hex)。
　　通過(guò)利用(yòng)modbusslave軟件進行仿真測試上位機軟件。由于定(dìng)時讀(dú)取下位保(bǎo)持機寄存器的(de)數據是.modbus協(xié)議中代表性的功能(néng),因此在(zài)這裏隻(zhī)演示03功(gōng)能仿真,仿真(zhēn)結果(guǒ)如下(xià)。
　　功能(néng)碼03爲(wèi)定時(shí)讀取(qǔ)下位機中已經(jīng)存儲數據(jù)的功能(néng),每隔一(yī)定的時間(jiān)将會(huì)從下(xià)位(wèi)機讀取一次數據(jù),如果(guǒ)沒有讀到将會(huì)連續(xù)嘗試5次,如(rú)果5次(cì)讀取(qǔ)都沒(méi)有結果則(zé)認定連接斷(duàn)開(kāi),用戶(hù)可以再次(cì)點擊(jī)開始(shǐ)按鈕再次(cì)讀(dú)取(qǔ)下位機數(shù)據。
 
　　圖4爲wince系(xì)統(tǒng)的(de)觸摸屏和電腦上modbus.slave軟件(jiàn)仿(páng)真合(hé)照。圖5是在(zài)wince系統(tǒng).上運行(háng)上(shàng)位機(jī)軟件(jiàn)。單個寄(jì)存(cún)器隻能存(cún)儲2個字節的(de)數(shù)據，因(yīn)此對于大的數據來說需要多(duō)個寄存器(qì)來(lái)存儲。對(duì)于(yú)由單個(gè)寄存器存儲的數據,如(rú)30002寄存器(qì)存(cún)儲(chǔ)的爲瞬時(shí)流量(liàng)的(de)值,由于(yú)精度(dù)問題(tí),當.上(shàng)位機接(jiē)收到瞬(shùn)時流量的數據(jù)時将會除(chú)以10則(zé)會得到43.2。而對于大的數據(jù),如30004和(hé)30005存儲的是總累(lèi)積流(liú)量的數據(jù),如(rú)圖4,轉換的順(shùn)序是:當，上(shàng)位機(jī)讀取30004和(hé)30005的(de)數據(jù)時,數(shù)據存(cún)儲爲(wèi)002b0020(2b和20分别爲43和32的(de)16進制表示),然後(hòu)再将(jiāng)002b0020轉(zhuǎn)換(huàn)成10進制,最後除(chú)以10取(qǔ)得精度，最(zuì)終得(dé)到281808。其(qí)他數據的(de)計(jì)算(suàn)方式可參(cān)照以.上兩種。
5結束語
　　本系統主(zhǔ)要由上位機、渦輪流量計、無線收發(fā)模塊.等幾(jǐ)個部(bù)分組成。下(xià)位機采用(yòng)c語言(yán)在msp430f149上編(biān)程，上位機采用c#語(yǔ)言在(zài)vs2012環境下編程，上(shàng)位機與下位(wèi)機(jī)之間采用(yòng)rs-485進行通信(xìn)，設計并編寫基于modbus-ascii協議的(de)通信(xìn)應用(yòng)軟件(jiàn)。通過仿真實(shí)驗表明(míng)上(shàng)位(wèi)機完(wán)全按照(zhào)modbusascii協(xié)議編寫并能夠(gòu)通信(xìn)成功，下(xià)位(wèi)機采(cǎi)集到的數據可(kě)以通(tōng)過自身的顯示(shì)模(mó)塊以及(jí)上位(wèi)機窗口同(tóng)時(shí)顯(xiǎn)示(shì),并且可(kě)以保存到(dào)下位(wèi)機外(wài)擴(kuò)rom中。本系(xì)統具(jù)有良(liáng)好的(de)可擴(kuò)展性,通過(guò)簡單改寫最多可以(yǐ)拓(tuò)展到(dào)32個(gè)子設備的流量(liàng)等數(shù)據(jù)的監測,對降低生(shēng)産運營(yíng)成本(běn)有重大(dà)意義。

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